硕士论文-铝合金热锻模具结构中的应力应变演变过程分析.pdf

上海交通大学 硕士学位论文 铝合金热锻模具结构中的应力应变演变过程分析 姓名：张瑜 申请学位级别：硕士 专业：材料加工工程 指导教师：陈军 20080101 上海交通大学硕士学位论文 摘要 i 铝合金热锻模具结构中的应力应变演变过程分析 摘 要 热锻模在高速发展的汽车、机械等重要的支柱产业中占有举足轻重 的地位，需求量与日俱增。我国每年消耗热锻模具钢数万吨，价值数亿 元。热锻模在高温和高压下连续工作，受到周期性的机械载荷和热载荷 作用，导致其温度场、应力应变场在时间和空间上分布复杂。正是这种 复杂分布导致热锻模的寿命普遍不高。然而近年来的研究中，对锻造成 形过程关注较多，而对模具本身的负荷情况关注不够。因此，有必要加 大对热锻模具负荷情况的研究。为了能够更好的反应在成形过程中热锻 模的负荷情况，本文提出了一种基于锻造成形过程的数值模拟结果，对 热锻模进行结构分析的新方法。该方法实现的主要步骤为： 首先利用成形分析软件deform 3d对锻造成形过程进行模拟。 模拟过 程中仅将工件作为变形体，而模具则作为刚性体处理。模拟结束后将成 形模拟过程中各增量步的成形力从工件映射到模具上； 利用自主开发的deform和marc间数据传递程序模块，将模具接触节 点力载荷和温度载荷从deform中提取出来并写入marc的输入文件中； 最后在marc中将模具作为弹性变形体，对其进行结构分析，得到热 锻模具在锻压全过程的温度及应力应变场分布规律。 本文主要对铝合金热锻模在预锻过程中的应力应变演变情况进行了 分析，并对不同成形速率进行了比较，得出成形速率越快，模具的应力 值越高。本文所运用的方法能够准确给出锻压全过程模具的温度及力边 上海交通大学硕士学位论文 摘要 ii 界条件，并可以跟踪模具上各个节点在整个成形过程中的应力应变变化 趋势，对热锻模锻压全程进行了综合考虑。由于marc功能强大，适于作 为研究平台，有利于后期研发的延续，为开展模具磨损和疲劳等方面的 分析提供了可能。同时，这种基于成形过程的模拟结果对模具进行结构 分析的方法，不仅节约模拟时间，而且具有很好的模拟收敛性，适用于 对各种模具进行结构分析，可以有效支持模具开发，指导工业实践。 关键字：热锻模，应力，应变，数值模拟 上海交通大学硕士学位论文 摘要 iii research of the stress and strain evolution on the aluminum alloy hot forging die abstract hot forging die plays a significant role in the rapidly developing industries such as automotive and mechanical industries. a large amount of hot work tool steel is consumed in china every year with the total price of hundreds of millions of rmb. working under high temperature and pressure, hot forging die suffers from cyclic mechanical and thermal load, which causes the complicate distribution of its strain and stress both in time and in space. this complicate distribution results in low life cycle of the die. recent years, more researches have been focused on the forging processes. however, the load condition of hot forging die itself has not been taken enough account into. so it is important to intensify the research on the load status of hot forging die. in order to better reflect the load condition of die during the forging process, a new simulation method for hot forging die load condition analysis based on the forming simulation result is proposed in this thesis. the main procedures for this method are as followings: first of all, simulate the forming process with forming analysis software deform3d. during the simulation, the coupled thermal-mechanical method is used, and the forging part is taken as rigid-plastic body while the dies are taken as rigid bodies. when the simulation is completed, map the forming force of each increment from the part to the dies; secondly, use the in-house developed software interface to extract nodal force and temperature data from deform3ds key file and write them into 上海交通大学硕士学位论文 摘要 iv marcs input file; at last, take the dies as elastic and deformable bodies, conduct structural analysis in marc. the temperature, stress and strain distribution during the whole forging process will be obtained. the stress and strain evolution history of aluminum alloy hot forging die during the pre-forging process is mainly discussed in this thesis, and comparison is conducted under different forming speed. from the comparison, conclusion can be drawn: the higher the forming speed is, the higher the die stress is. with the proposed methodology in this thesis, the exact temperature and force boundary conditions for the dies are added to the fem model in marc, and the stress and strain histories for each node during the whole forging process are demonstrated. since marc is a very powerful fea analysis tool, it can sever as the platform for further researches on hot forging die, hence the proposed methodology can serve as the preconditions to analyze the abrasion, fatigue and other conditions of hot forging die. besides, this die structural analysis method based on the forming simulation results not only saves simulation time but also has a very good simulation convergence, it provides a feasible way for other die stress and strain analysis. this method can effectively support die development and provide some guidelines for industrial practices. key words: hot forging die, stress, strain, fem 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：张瑜 日期： 年 月 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存和汇编本学位论文。 保密保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密不保密。 (请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：张瑜 指导教师签名：陈军 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 引言 锻造由于生产率高、加工零件质量好而在工业生产中占据重要地位。20世纪80 年代，我国钢产量达到3000万吨。各类锻件占钢产量比例大约为5%8%。锻件产量 为150240万吨。2004年我国锻件总产量达到326万吨，居世界第三位。其中模锻件 约244万吨，主要市场是汽车、工程机械、基础件、石化通用机械等，其中汽车锻件 约占模锻件的65%，约160万吨。模锻件占的比例说明了一个国家的生产水平、生产 率、材料利用率、生产成本及产品质量在国际竞争中的地位 1。铝是地壳中含量及 丰富的金属元素，其蕴藏量是铁的1倍多，比其他有色金属蕴藏的总和还要多2。铝 合金有许多优点，如重量轻、良好的可锻性以及高的耐磨性，被广泛应用于汽车及 飞机制造业中3。汽车的轻量化发展趋势促使轻合金材料的应用迅速增长。在欧洲， 每辆轿车使用的铝合金材料已达100kg左右，约占轿车自重的8%1。铝合金材料在汽 车零部件中的应用正在逐步扩大。 热锻模具在高速发展的汽车、机械、农机等重要的支柱产业中占有举足轻重的地 位，需求量与日俱增。我国每年消耗热锻模具钢数万吨，价值数亿元4。热锻模在高 温和高压下连续工作，工况恶劣。当把炽热的锻件放入热作模具型腔时，模具表面 急剧升温，表面的热膨胀由于受到温度较低的次表面层的约束而产生压应力和压应 变；反之，当锻件取出时，模具表面由于急剧降温(通常采用喷水或喷雾冷却)而受到 拉应力和拉应变。此外，热作模具还受到周期性的机械载荷作用。这些导致其温度 场、 应力场在时间和空间上复杂分布5。 周期性的机械负荷和热负荷导致热锻模的寿 命普遍不高。如在我国某些锻造厂，铝合金预锻模进行40005000次锻压时就会出现 裂纹，需要进行补焊等模具修复工作；800010000次时，模具即报废。我国热锻模 平均寿命比日本、德国等发达国家普遍低50 %以上6。由于热锻模的寿命较低，极大 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 2 提高了工件的成本。热锻模的失效，往往是热循环和机械循环共同作用的结果7。其 正常失效形式有磨损、局部塑性变形以及热机械疲劳。而这几种失效，实质上都是 由其应力状态决定的8。因此，进行热锻模的应力应变演变过程研究是非常必要的。 1.2 国内外研究现状 在金属塑性成形的有限元模拟方面，各国学者已做了大量的研究工作。80 年代 末期以来，金属塑性成形过程的计算机模拟技术逐渐成熟并进入实用阶段。在工业 发达国家，它已经成为检验模具设计的常规手段和模具设计制造流程的必经环节9。 近年来，各种通用、专用的商业有限元软件已经在工业生产中发挥着越来越大的作 用，也不断有学者通过软件和实验手段对金属塑性成形过程进行研究。数值模拟技 术在锻造成形过程的应用上，kobayashi10首先采用刚塑性有限元法对轴对称闭式模 锻过程进行了数值模拟，模拟结果与实验结果吻合较好。1982 年，oh11提出了处理 任意形状模具边界条件的方法，对刚塑性有限元法做了进一步的完善，并与 wu 和 altan 等学者一起成功地开发了二维模锻过程的刚塑性/刚粘塑性有限元程序 alpid， 用于各种锻件锻造过程模拟分析。在国内，赵国群12 13、卫原平14等在二维模锻过 程的刚塑性/刚粘塑性有限元模拟方面也做了系统的研究工作。park 和 kobayashi15 较早地进行了三维成形问题的模拟研究，分析了矩形块体、楔形块体的镦粗过程， 考察了摩擦条件对变形体构形和变形力的影响。 yoon 和 yang16模拟了三维齿轮的锻 造过程。在国内，王忠金17针对复杂形状的模具型腔曲面和锻件提出了基于 b 样条 方法的曲面描述技术及样条曲面插值六面体网格生成方法，据此进行了连杆终锻成 形过程的三维刚粘塑性有限元模拟。蒋浩民18采用基于映射法的六面体网格划分技 术和基于边界构形的网格重划分技术，对未经简化的铝合金支座轴超塑性模锻过程 进行了三维有限元模拟，计算结果与实验结果吻合较好。左旭19对汽车零件十字轴 和曲轴的多工位模锻成形的全过程进行了三维有限元模拟，并开发了三维有限元模 拟软件 forming3。曹飞20利用 deform 软件对曲轴锻造成形过程进行了有限元模 拟。詹梅21对汽轮机叶片的锻造成形过程进行了三维有限元模拟研究。 对于模具方面，国内外学者也对锻模负荷及受损情况作了一定研究： 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 3 在国外，j.h. kang 等人对传统的 archard 摩擦模型进行改进 22 23 ，考虑高温 软化对模具材料磨损性能的影响及热处理对摩擦因子的影响；并利用新公式进行有 限元模拟，得出在仅考虑磨损情况下模具的寿命。d.h. kim 等人从塑性变形和磨损 的角度预测模具寿命24，考虑温度对模具材料高温软化的影响。从塑性变形角度， 引入硬度保持时间的概念；硬度保持时间计算公式中涉及的等效应力和温度数值通 过刚塑性有限元模拟得到，并将其除以一次锻造经历的时间，可以得到模具寿命。 而从磨损的角度，同样是对 archard 摩擦模型进行修正，将温度引起的模具材料硬度 改变考虑到计算公式中。 shinichiro fujikawa 对正挤压模进行了应力分析25， 采用 “耦 合法” ，将工件和模具同时作为变形体工件作为塑性变形体而模具作为弹性变形 体，直接用 deform 进行模拟。模拟中同时得到了工件的变形情况及模具在锻压全程 的应力应变分布情况。为简化计算，分析中利用了工件和模具的轴对称性。 在国内也有部分研究，如文献26中，西北工业大学的娄路亮利用有限元与 bp 神经网络相结合，建立了一种热锻模具随机损伤过程的分析模型。首先用有限元软 件对锻造过程中模具的应力、应变进行分析，根据计算结果找到模具的危险部位， 获得确定性损伤，再考虑实际工况的随机性，应用 bp 神经网络对模具的损伤进行模 拟；根据损伤的累积效应，得出考虑随机因素作用下的模具疲劳寿命的分布规律， 在此基础上定性地分析了工艺参数对上述规律的影响。分析过程中，对热锻模应力 应变的确定是通过 marc 模拟实现的，并利用对称性，取实物的 1/36 进行分析；将 模具和工件同时作为变形体考虑，认为热锻模在锻造过程中发生塑性变形，并基于 等效塑性变形对模具疲劳寿命进行预测。文献27中，河南科技大学的石玉环，根据 大变形弹塑性有限元理论和接触理论，借助有限元分析软件 msc.superform 对层状 复合材料连杆热锻模锻压全过程进行了数值模拟和热机械耦合分析。该模拟中，利 用对称性，把连杆终锻过程的模型定义为沿长度方向的二维模型；并将模具和工件 同时视为弹塑性变形体。综合考虑成形过程中的几何非线性、材料非线性以及工件 与模具的接触摩擦等因素，得到了工件和热锻模温度场、等效塑性应力应变场在时 间和空间上的分布规律，并利用 coffin-mansion 公式对所计算的模具寿命进行了预 测。文献28中，武汉理工大学的杨慧针对普通圆饼类锻件的模锻过程，以锻模材料 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 4 的四个主要物理性能参数即弹性模量、线膨胀系数、导热系数和比热容为研究对象， 研究这四个物理性能参数与热锻模的综合应力之间的对应关系。模拟过程中采用 ansys 有限元分析软件， 利用工件及模具的轴对称性， 取下模的一半作为研究对象； 将模具作为弹性变形体，工件作为塑性变形体，采用热力耦合方法，对模具的应力 及温度场进行分析。得出热锻模的物理性能参数与热锻模具综合应力的对应关系。 1.3 课题提出的意义 从国内外的研究现状来看，相关研究对锻造成形过程的关注较多，而对模具本 身的负荷情况关注不够。目前，对于模具应力应变情况的分析，从数值模拟的角度 来说，大多数的模拟分析对实际模具进行了大量简化或仅从实验分析角度对一般性 的规律进行了探索：如只考虑到具有对称特征的模具；简化为平面问题；只重点考 查温度场对模具应力的影响等。少数分析把模具和工件同时作为变形体来考虑，采 用非线性有限元分析软件如 msc.superform 等直接进行耦合模拟。该方法虽然具有 一定准确性，但若模具形状复杂，计算效率会很低，而且可能会发生难于收敛的问 题，难以有效支持实际的模具开发。此外，成形分析软件 deform3d 提供了两种方法 对模具应力进行分析：耦合法和非耦合法。耦合法中，在模拟成形过程时将模具和 工件同时设为变形体。然而该方法对于形状复杂的零件，计算量大，难于收敛。而 非耦合法只能分析模具某一时刻的应力分布情况。若分析整个过程，则需要在前处 理中，手动进行一步一步干预，即每进行完一个增量步的模具应力分析，都需将变 形后的模具再次导入前处理器中，将工件上的载荷反插到模具上，求解模具应力； 重复该步骤到最后增量步。 由于实际应用中，模具型腔往往具有不规则性，无法利用对称性或其它原则进 行简化。因此，应当寻求一种更为有效的方法，使其在模拟时间、收敛性和模拟精 度上均具有可行性。 为解决上述问题， 本文提出将成形分析软件 deform3d 和结构有 限元分析软件 marc 结合起来，基于锻造过程的数值模拟结果，对热锻模锻压全过程 应力应变场模拟的方法。该方法通过自主开发的软件接口，不仅可以在无需每步都 手工干预的基础上准确得到模具在锻压成形全过程的应力应变分布情况，而且节省 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 5 模拟时间，具有很强的可行性。此外，由于 marc 功能强大，适于作为研究平台，有 利于后期研发的延续。 由 marc 分析得到的模具在锻压全程的应力、 应变及温度数据， 可进一步用于进行模具磨损、冲击和疲劳等方面的分析。如，利用锻压全程的应力 和温度数据，再结合实际的疲劳试样实验数据，可在 fatigue 软件中对模具进行疲劳 分析等。该方法能够有效支持模具开发，并为各种模具受力分析提供了一种较为可 行的途径。 1.4 课题主要研究内容 本课题的主要任务是研究复杂型腔热锻模在锻压过程中的应力应变演变过程。 通过自主开发的软件接口， 将锻造成形数值模拟软件 deform3d 和结构有限元分析软 件 marc 结合起来， 基于锻造过程的数值模拟结果， 对铝合金热锻模具进行结构分析， 得到它在热锻全过程的应力应变场分布规律，以有效指导工业实践。具体内容安排 如下： 第一章概述热锻模的应用情况并全面综述国内外在锻造及锻模结构分析方面的 研究现状，提出本文的研究方法。 第二章介绍热锻模的负荷特点及失效机理，并指明研究热锻模失效问题的关键。 第三章介绍了相关有限元理论基础， 即在热锻成形模拟中涉及的刚(粘)塑性有限 元理论、进行模具结构分析中涉及的弹性有限元理论及进行热力耦合分析时用到的 有限元热传导相关理论。并对研究中应用的两个主要模拟软件 deform 和 msc.marc 进行了介绍。 第四章详细介绍了研究中用到的关键技术和基本假设；并以实际零件为例，详 细阐述模拟分析方法及模拟结果；最后通过模拟结果对前述的基本假设进行了论证。 第五章在前几章的基础上，改变模拟参数，介绍在不同成形速率下模具的应力 应变演变情况，并对模拟结果进行分析比较，得出一般性结论。 第六章为结论与展望。在总结本文所作研究的基础上，提出了有待进一步解决 和研究的问题。 上海交通大学硕士学位论文 第二章 热锻模的负荷特点及失效机理 6 第二章 热锻模的负荷特点及失效机理 2.1 热锻模的负荷特点 2.1.1 概述 热锻模工况恶劣，一方面，因其表面对工件传递成形力，受到工件的反作用力； 而另一方面，同工件接触过程中，工件的热量大量传递到模具表层，造成其瞬时温 升，而冷却液的作用又使其快速冷却，从而在模具表层产生很大的温度应力；此外， 在很多情况下，模具还受到冲击载荷和剩余打击能量的作用。热锻模在工作中受到 周期性的温度负荷及机械负荷的影响。 2.1.2 机械负荷 热锻模的机械负荷主要有两个来源，一是由于成形工件的反作用力，对其表面 产生的拉、压及弯曲等应力；二是由于设备对模具产生的冲击及剩余锻造能量被设 备及模具吸收而引起的。机械负荷的大小同锻件大小、材料属性、锻造温度、锻模 的承击面积、成形速率和设备的输出能量密切相关。机械负荷以脉冲的方式周期性 地作用在锻模上。 2.1.3 热负荷 锻模型腔部位的热负荷主要来源于金属坯料的热传导和锻件变形时的摩擦热效 应29。其大小与模具初始温度、坯料温度、变形程度、变形速率、型腔的润滑状态 等因素有关，但主要取决于型腔表面与高温坯料的接触时间、模具表面与坯料的相 对滑动速率及冷却状况。连续使用时模腔表面一般均超过模具的回火温度，造成高 温软化塑变失效；连续使用时的冷却润滑又使模腔近表层产生极大的拉应力，造成 裂纹的扩展30。 模锻过程中的热负荷只影响模具表层，根据峰值温度的高低，模具型腔表层在 上海交通大学硕士学位论文 第二章 热锻模的负荷特点及失效机理 7 脉冲式热负荷的反复作用下可能发生热疲劳、相变和回火三种不同形式的变化26。 实际上，在热锻过程中，热锻模的机械负荷和热负荷同时作用，并相互促进。 两者共同导致模具的破损和失效。在对模具进行结构分析的过程中，两种载荷必须 同时进行考虑。 2.2 热锻模的失效形式和机理31 32 2.2.1 概述 近年来，金属加工领域越来越关注如热锻模等模具使用寿命的提高。热锻模工 作中承受连续的机械负荷和热负荷，这些负荷最终会导致模具表面因磨损、塑性变 形、热疲劳和机械疲劳而失效33。因此，热锻模使用一段时间后就需要更换，这会 因模具的加工和拆装时间的消耗而极大增加成本，并降低了生产率34。热锻模的失 效形式主要有：磨损失效、塑性变形失效和热机械疲劳失效。资料显示，在几种失 效形式中，大约 70%的失效由磨损导致，25%的由机械裂纹导致，2%由热裂纹导致， 3%由塑性变形导致35。 2.2.2 磨损失效 被锻金属坯料在模具型腔中热塑变流动，将对型腔表面产生摩擦作用。摩擦力 的大小与正压力和摩擦表面的状况有关。在坯料能进行热塑变流动的情况下，正压 力主要取决于热坯料的塑变强度，模腔表面受热氧化及高温软化也将影响摩擦和磨 损过程。对于锤锻模而言，在多次重复冲击作用下，坯料对型腔表面产生冲击性接 触应力会导致磨损加剧。 在型腔表面受滑动摩擦较大的部位，由于摩擦切应力和热负荷的作用，易使型 腔表面产生氧化磨损和热粘着磨损。这种热粘着磨损，可以认为是在高温和压力作 用下，坯料与模具型腔局部表面发生粘合，继而在切应力作用下粘合处破坏，在型 腔表面产生擦伤沟槽。型腔表层受热软化，易于在摩擦切应力作用下发生局部的塑 变流动，从而促使热粘合现象产生。当模具表面形成薄而致密的氧化膜时，可具有 润滑和减摩作用，能防止热粘合现象。但在温度较高，所形成有氧化层疏松时，则 上海交通大学硕士学位论文 第二章 热锻模的负荷特点及失效机理 8 由于氧化膜容易破裂、剥落，且氧化物碎片又成为磨粒，将加剧型腔表面的磨损。 对模具磨损影响较大的因素是模具的温度、模具材料的化学成分和硬度、模具 型腔的表面情况，以及模具的使用条件等。 2.2.3 塑性变形失效 热锻模的塑性变形常发生在型腔中受力大且受热温升高的部位。温度升高使模 具材料的屈服强度下降，当温度高于模具材料的回火温度时，将进一步使之软化。 当软化部位的屈服点低于该部位所承受的应力水平时，就会产生塑性变形。模具型 腔中的肋、凸台等突出部位吸热较多，温度较高，受力也较大；当其软化层深度较 大时，将会出现棱角堆塌等塑变现象。在软化层较浅的部位，可在坯料摩擦作用下 发生表层塑变流动。 塑性变形也和坯料的变形速度和变形抗力有关。坯料的塑变抗力越大，锤击速 度越高，均使模具的受力加大，且使模具表面的温升提高，故易于产生塑性变形失 效。 2.2.4 热机械疲劳失效 热锻模在热应力的反复作用下将产生疲劳裂纹或破坏。在锻压过程中，模具型 腔表层的热胀冷缩受到内层的约束而产生热应力。同工件接触时，型腔表面受热膨 胀受到内层约束，故将产生压拉力；冷却时，型腔表面受冷收缩同样受到内层的约 束，产生拉应力。如果热应力大于材料在该温度下的屈服点，便会发生拉、压塑性 应变。这样，型腔表面在循环热应力的作用下产生循环的塑性应变，经过一定周次， 导致表面产生许多细小的裂纹，即热疲劳裂纹。通常，模具锻压数千次甚至几百次 就可能出现热疲劳裂纹。根据热应力的分布和作用方向，热疲劳裂纹可以呈条状、 放射状，有的则连成网状，故又称为“龟裂” 。由于热疲劳的产生，使型腔表层有了 膨胀、收缩的余地，热应力得以松弛，裂纹不会向纵深发展，一般仅数毫米。所以， 热疲劳裂纹属于细小线表裂纹，除了表面质量要求高的精锻模外，普通锻模出现热 疲劳裂纹后仍能继续服役。但是，在机械应力的继续作用下，加上继续氧化腐蚀， 以及由于坯料的摩擦、挤入所产生的对裂纹的扩张作用，可使裂纹继续向纵深扩展， 上海交通大学硕士学位论文 第二章 热锻模的负荷特点及失效机理 9 并可能成为脆断和疲劳断裂的裂纹源。在这种断口的热疲劳开裂部分为氧化物所覆 盖，呈深灰色，里面存在脱碳层。 影响模具热疲劳的因素主要是：模具型腔表面的温度变化幅度(即循环温差)，模 具材料的抗氧化性、导热性和热膨胀系数。显然，循环温差越大，材料的膨胀系数 越大，则循环热应力越大，越易于发生热疲劳。 受到循环热负荷的同时，热锻模也受到循环机械负荷的作用。两者相互促进， 导致热机械疲劳的产生。 2.3 研究锻模失效的关键 无论哪种类型的失效形式，在很大程度上都是模具的应力应变状况决定的。因 此，研究模具失效的关键是对模具在锻压全程的应力应变分布及演变状况这个基本 问题进行研究。 2.4 本章小结 本章首先介绍了热锻模的负荷特点，即同时受到机械载荷和温度载荷的作用， 并且两种形式的载荷相互促进，共同造成了模具的受损和失效；随后介绍了热锻模 的失效形式，即磨损失效、塑性变形失效和热机械疲劳失效。无论何种形式的受损 和失效，都是其应力应变状态决定的。因此本章最后指出，研究锻模失效的关键为 研究其在锻压全程的应力应变分布这一基本问题，引出研究热锻模应力应变演变过 程的重要性。 上海交通大学硕士学位论文 第三章 有限元理论基础 10 第三章 有限元理论基础 3.1 刚(粘)塑性有限元理论 3.1.1 概述 金属塑性加工是一个多因素的复杂系统，如锻压、挤压和轧制等加工过程中不 仅工件的几何形状复杂，而且工件与材料的摩擦力与材质、温度和润滑条件等许多 因素有关；另一方面，材料在塑性变形状态下本构关系的非线性，塑性变形引起的 材料各向异性以及大变形带来的几何非线性等，使得塑性加工成型问题难以求得精 确解。近年来由于电子计算机技术的发展，用有限元法求解塑性加工问题得到越来 越多的重视。 刚塑性有限元法36是由李(c.h.lee)和小林史郎于 1973 年提出来的。 这种方法忽 略了塑性变形中的弹性变形，因此在小变形时，其计算精度不如弹塑性有限元法。 但由于塑性加工问题变形量大，而弹性变形比塑性变形小得多，因此采用这种方法 仍能得到较好的结果。刚塑性有限元法采用列维-米席斯(levy-mises)率方程和 mises 屈服准则，求解未知量为节点位移速度。它通过在离散空间对速度的积分来解决几 何非线性，因而算法相对简单，并且求解效率高，求解精度可以满足工程要求。根 据材料对速度的敏感性，材料模型有刚塑性硬化材料和刚粘塑性材料。刚塑性硬化 材料所对应的有限元法即刚塑性有限元法，它适用于冷、温态体积成型问题。刚粘 塑性材料对应的则是刚粘塑性有限元法，它适用于热态体积成型工艺，并且可以进 行变形过程中变形与传热的耦合分析。由于忽略了弹性变形，所以刚(粘)塑性有限元 法不能进行卸载分析，无法得到残余应力、变形及回弹，此外刚性区的应力计算亦 有一定误差。尽管如此，刚(粘)塑性有限元法仍在塑性加工中得到了广泛应用，也成 为一些商业软件(如 deform)的核心算法。 刚(粘)塑性有限元法是建立在刚(粘)塑性材料变分原理的基础上的，其方法主要 上海交通大学硕士学位论文 第三章 有限元理论基础 11 有由小林史郎等提出的，建立在不完全广义变分原理基础上的拉格朗日乘子法；小 坂田等人提出的，建立在可压缩性材料基础上的刚塑性有限元法；以及由监凯维奇 等提出的罚函数法。 刚塑性材料的变分原理是刚塑性有限元法的理论基础。概括起来，变分原理以 能量积分形式把塑性偏微分方程组的求解问题变成了泛函极值问题。通过这种形式 转换，建立了有限元法的基本方程。 3.1.2 刚(粘)塑性材料的基本假设 为了便于数学处理，对刚(粘)塑性材料作如下基本假设： (1) 不计材料的弹性变形； (2) 材料的变形流动服从 levy-mises 流动法则； (3) 材料是均质各向同性体； (4) 材料满足体积不可压缩条件； (5) 不计体积力与惯性力； (6) 加载条件(加载面)给出刚性区与塑性区的界限。 3.1.3 刚(粘)塑性材料的边值问题 塑性变形